(57)【要約】【課題】  実製品の残留応力発生状況を再現でき、より簡単に歪測定が可能な残留応力測定試験体および試験体の熱処理方法を提供する。【解決手段】  一側が開放部２５で開放している箱状体２１と、内壁部２２に一端が一体に形成された厚肉柱状体２４とによって残留応力測定試験体２０が構成される。  この残留応力測定試験体２０を加熱した後、箱状体２１の外面のみを冷却し、次いで、箱状体２１の中部および外面を冷却することで、厚肉柱状体２４の付け根部分に高い残留応力を発生させることができる。残留応力の発生／開放状況の関係を調査する際、シリンダヘッド等の実製品を用いて調査するのに比べて作業性を改善し、また調査期間の短縮を図ることが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一側が開放された有底の箱状体と、前記箱状体の内部にあって少なくとも一端が箱状体の内壁部に一体に設けられ、前記箱状体の肉厚と異なる厚みからなる柱状体とを有することを特徴とする残留応力測定試験体。
【請求項２】
前記試験体がエンジンのシリンダヘッドを想定し、前記柱状体が内部の肉厚変差部を想定した疑似シリンダヘッドであることを特徴とする請求項１記載の残留応力測定試験体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の残留応力測定試験体を所定温度に加熱した後、残留応力測定試験体を構成している箱状体の外面のみを所定時間冷却し、次いで、箱状体の内部を冷却することを特徴とする残留応力測定試験体の熱処理方法。
【請求項４】
前記冷却時に、前記試験体の外面のみを冷却液に浸漬し、所定時間冷却後、前記試験体全体を冷却液に浸漬することを特徴とする請求項３記載の残留応力測定試験体の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばエンジンのシリンダヘッドなどの鋳造品の熱処理条件を検討乃至決定する際に使用する残留応力測定試験体と、この試験体の熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、軽合金鋳物の材料強度を損なうことなく熱処理時の残留応力を低減することを目的として、冷媒の膜沸騰状態を従来に比べて長い時間持続させるようにした軽合金鋳物の熱処理方法（特許文献１）や、鋳造品からなる圧力容器の実体強度や疲労強度特性等を短時間で測定可能とする圧力容器の試験体（特許文献２）や、金属部材の残留応力をＸ線で測定するようにした金属部材の応力測定方法（特許文献３）などの技術が本発明の分野において公知である。
【０００３】
ところで、現在、アルミ合金製シリンダヘッドは、熱処理（溶体化−焼入れ−時効）を実施することにより機械的性質を向上させている。しかし、シリンダヘッド内部は、肉厚部、薄肉部が混在する複雑な形状をしているため、焼入れ時の各部の冷却速度差により残留応力が発生する。この残留応力が大きい場合、エンジン稼動中に亀裂発生を引き起こす場合もあることから、基礎調査として、部品形状および熱処理条件等と残留応力発生の関係を把握することが重要である。
【０００４】
エンジン部品であるシリンダヘッドの場合、通常、調査対象となる残留応力発生部位は、シリンダヘッドの内深部にある。そこで、残留応力を把握するためには、各種条件で熱処理を行った、図４に示すようなシリンダヘッド１０に対して測定を行うことになる。その測定では、外側から対象部位である内部測定部位１１へ向けて貫通孔１２（φ１０〜φ２０）を開け、この細長い貫通孔１２にライトを当てつつ貫通孔１２を通して内部測定部位１１に歪ゲージ１３を貼り付ける。その際、歪ゲージ１３は確実に発生応力方向に平行に貼らなくては正確なデータを採取できないことから、かなりの注意を必要とする。また歪ゲージ１３を貼り付けた後は、ゲージ貼り付け部、即ち内部測定部位１１を中心として約１０ｍｍ四方のサイズまで粗材（シリンダヘッド）を切断しながら開放歪を測定することが行われている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−５０2１２号公報
【特許文献２】特開平１０−３０９７９号公報
【特許文献３】特許第２８３３６７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の一連の作業は時間的負担がかなり大きく、歪ゲージ貼り付けの作業性も悪いことから失敗も多い。このため、シリンダヘッドの熱処理条件決定時のように、試験条件が多い場合、残留応力挙動を把握するためにシリンダヘッドなど実製品を用いることは時間的負担が大きいなどの問題点がある。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、実製品の残留応力発生状況を再現でき、より簡単に歪測定が可能な残留応力測定試験体および試験体の熱処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち本発明の残留応力測定試験体のうち、請求項１の発明は、一側が開放された有底の箱状体と、前記箱状体の内部にあって少なくとも一端が箱状体の内壁部に一体に設けられ、前記箱状体の肉厚と異なる厚みからなる柱状体とを有することを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の残留応力測定試験体の発明は、請求項１記載の発明において、前記試験体がエンジンのシリンダヘッドを想定し、前記柱状体が内部の肉厚変差部を想定した疑似シリンダヘッドであることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の残留応力測定試験体の熱処理方法の発明は、請求項１または２に記載の残留応力測定試験体を所定温度に加熱した後、残留応力測定試験体を構成している箱状体の外面のみを所定時間冷却し、次いで、箱状体の内部を冷却することを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の残留応力測定試験体の熱処理方法の発明は、請求項３記載の発明において、前記冷却時に、前記試験体の外面のみを冷却液に浸漬し、所定時間冷却後、前記試験体全体を冷却液に浸漬することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記のように構成された本発明の残留応力測定試験体によれば、一側が開放された有底の箱状体と、前記箱状体の内部にあって少なくとも一端が箱状体の内壁部に一体に設けられ、前記箱状体の肉厚と異なる厚みからなる柱状体とを有するので、形状がシンプルであり、歪ゲージの貼り付け等の作業性を、シリンダヘッド等の実製品の場合と比較して格段に良くすることができる。そのため、残留応力の発生／開放状況の関係を調査する際、シリンダヘッド等の実製品を用いて調査するのに比べて作業性を改善し、また調査期間の短縮を図ることが可能となる効果がある。熱処理条件決定時のように試験条件が多ければ多いほどほどその効果は大きくなる。なお、箱状体がシリンダヘッドを想定する場合、柱状体が想定する肉厚変差部としてはヘッドボルトボス等が例示され、箱状体の壁部が想定するものとしてはウォータージャケット部の壁部等が例示される。
【００１３】
また、本発明の残留応力測定試験体の熱処理方法によれば、本発明の上記残留応力測定試験体を所定温度に加熱した後、残留応力測定試験体を構成している箱状体の外面のみを所定時間冷却し、次いで、箱状体の内部を冷却するので、箱状体と柱状体の間に大きな温度差を与えることができ、箱状体と柱状体とが連続する部分に高い残留応力を発生させて、実製品の残留応力発生状況を再現できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明をエンジンのシリンダヘッドの熱処理条件を調査するために実施した残留応力測定試験体について図１、２を参照して説明する。
【００１５】
図１に実施形態の残留応力測定試験体２０を示す。この残留応力測定試験体２０は、好適には調査対象のシリンダヘッドと同一の材料で砂型鋳造される。図において上側を開放した有底直方体からなる箱状体２１を有し、この箱状体２１の内壁部２２に一端が一体に形成されている円柱からなる厚肉柱状体２４が設けられている。前記厚肉柱状体２４は箱状体２１の開放部２５の面に略平行とされ、また、厚肉柱状体２４と壁部２２が連続している厚肉柱状体２４の付け根部分にはＲ部２４ａが形成され、該部を歪ゲージ貼り付け部としてある。
【００１６】
調査対象をシリンダヘッドとする場合、各部の外形寸法および箱状体２１の厚み、厚肉柱状体２４の径、Ｒ部２４ａの大きさ等は、表１に示した範囲で作製する。長尺方向外形寸法は、実製品のヘッドボルトボスの長さと略同一にすることが考慮されている。短尺方向外形および外形高さの寸法は、鋳造のし易さが考慮されている。また、厚肉柱状体２４の径と箱状体２１の厚さの間は、実製品のヘッドボルトボスの径とウオータージャケット壁の厚さを考慮し、両者の寸法の比率と略同一になるようにする。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
なお図１に示した残留応力測定試験体２０は、実製品がエンジンのシリンダヘッドの場合のものであり、残留応力測定試験体がこの形状に限定されるものではなく、箱状体２１が立方体状であっても、断面円形や楕円形状の箱状体とすることもできる。但し、砂型鋳造する上で、実施形態のような直方体状や立方体状とするのが望ましい。また、厚肉柱状体２４も内部が充実した円柱体のほか、円筒体としたり、角柱体や角筒体も可能である。
【００１９】
本発明の残留応力測定試験体２０は、上記のとおりに作製されるので、形状が非常にシンプルであり、砂型鋳造により簡単に作製することができる。また、歪ゲージ貼り付け部となるＲ部２４ａは、開放部２５に露出しているので、歪ゲージの貼り付けも容易な試験体とすることができる。
【００２０】
上記実施形態の残留応力測定試験体２０を溶体化炉で所定温度に加熱して取り出した後、開放部２５を上にして、底部から８分目まで冷却液に水没させて焼入れすると、肉厚円柱部２４は高温のまま、箱状体２１のみが急冷され、収縮する。この状態を箱状体２１の温度が安定する所定時間（１０〜２０秒）保持する。次いで、残留応力試験体２０を、開放部２５が冷却液の液面より下に沈むまで水没させて、箱状体２１の内部に冷却液が回るようにし、箱状体２１の内面および厚肉柱状体２４も冷却する。この冷却によって、厚肉柱状体２４は長手方向に沿って収縮する為、厚肉柱状体２４の付け根部分に引張り側の応力が発生し、該部に高い残留応力を発生させることができる。
【００２１】
一方、実製品のシリンダヘッド（ヘッド実機）を、常法により焼入れ（水没）すると、ヘッド外面が最初に急冷される。その後、ウォータージャケット内部に冷却液が回り、その周辺部分が冷却される。その結果、最後に冷却されるヘッド内部の厚肉部分と最初に冷却される部分とが接する部位（図４の内部測定部位１１はこの部位に設定される）に大きな残留応力が発生する。
【００２２】
そこで、前記残留応力測定試験体２０と実製品のシリンダヘッドに発生する残留応力の相関関係を調べた。残留応力測定部位は、残留応力測定試験体２０については、前記Ｒ部２４ａとし、実製品のシリンダヘッドは、図４に符号１１で示したウォータージャケット壁面Ｒ部とし、それぞれの部位に歪ゲージを貼り付けて、解放歪みを測定した。実製品の解放歪の測定は、背景技術で説明した通り、測定部位を中心として約１０ｍｍ四方のサイズまで切断しながら行った。
【００２３】
一方、本発明の残留応力測定試験体２０の解放歪は、図２に示すような切断順序で試験体２０を（１）〜（６）に示すように順次切断して行った。（１）では、厚肉柱状体２４の長手方向中央で、試験体２０を切断している。（２）では、箱状体２１の開放部２５に対向している底壁２６を切断している。（３）では、厚肉柱状体２４に平行な一方の壁部２７を切断し、（４）では他方の壁部２８を切断している。そして、（５）では、厚肉柱状体２４を切断し、Ｒ部２４ａ（歪ゲージ貼り付け部）を残した壁部２２と厚肉柱状体２４の部分２４ｂに分離している。最後に、（６）で、壁部２２をＲ部２４ａにぎりぎりに細かく切断している。解放歪の測定は、この（６）で分離された測定試料Ａについて行った。
【００２４】
上記測定を、熱処理条件を種々変化させて行い、残留応力測定試験体２０と実製品のシリンダヘッドの解放歪の相関関係をグラフにしたのが図３である。図のグラフにおいて縦軸が残留応力測定試験体２０の解放歪測定値、横軸が実製品のシリンダヘッド（実機ヘッド）の解放歪測定値である。このグラフから、両者は直線的な関係にあり、相関性が良好であると言える。したがって、本発明の残留応力測定試験体２０によって、実製品のシリンダヘッドの残留応力発生状況を再現することができる。つまり、実製品のシリンダヘッドを用いて、種々の熱処理を行って、作業性の悪い開放歪の測定を行うのに代えて、この残留応力測定試験体２０を用いて、簡便に測定することができる。
【００２５】
以上、実施形態の残留応力測定試験体２０と、その有効性について説明したが、残留応力測定試験体２０の焼入れを、前記開放部２５を横向きにして冷却液に水没させたり、厚肉柱状体２４の長手方向で冷却液に水没させて、残留応力の発生状況を調整することもできる。このような調整で得られた残留歪の結果から、最適な冷却方法や実製品の形状の検討を行うことが可能となる。
【００２６】
また、前記残留応力測定試験体２０を砂型鋳造する際、箱状体２１には鋳造応力が発生する。したがって、実製品の形状、鋳造条件（合金成分、溶湯温度、型温等）と鋳造応力の関係を検討する際にも、この残留応力測定試験体２０を使用することができる。
【００２７】
残留応力測定試験体２０を焼入れする際には、試験体各部の冷却速度の差から、箱状体２１が内側に変形する。焼入れ条件が同一の場合、この変形量は一定であるので残留応力との相関を調査することで、解放歪の測定をすることなく、前記変形量を測定するだけで、残留応力の大きさを予想することも可能になる。
【００２８】
尚、本発明の残留応力測定試験体２０は、エンジンのシリンダヘッドに限らず、厚肉部を薄肉部が混在する鋳造製品の残留応力発生状況を把握することが可能であるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態の残留応力測定試験体の斜視図である。
【図２】同じく実施形態の残留応力測定試験体の解放歪を測定した際の切断順序を示す図である。
【図３】実施形態の残留応力測定試験体と実製品のシリンダヘッド（実機ヘッド）に発生する残留応力値の相関関係を示すグラフである。
【図４】エンジンのシリンダヘッドの一部と残留応力の測定方法を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０          シリンダヘッド
１１          内部測定部位
１２          貫通孔
１３          歪ゲージ
２０          残留応力測定試験体
２１          箱状体
２２          壁部
２３          壁部
２４          厚肉柱状体
２４ａ        Ｒ部
２４ｂ        厚肉柱状体の部分
２５          開放部
２６          底部
２７          壁部
２８          壁部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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